液压油管的选取与使用

徐成东

(四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川 618000)

液压元件已经实现了标准化、系列化、通用化，液压系统的设计、制造、维修都比较方便，且能缩短周期[1]。液压油管作为重要的辅助元件，承担着输送介质、传递能量的重要作用。液压油管的选取和使用，对液压系统具有重要的影响和作用。

液压系统中使用的油管分硬管和软管，选择的油管应有足够的通流面积和承压能力，同时，应尽量缩短管路，避免急转弯和截面突变[2]。钢管是硬管的代表，使用最多，用途最广。

1 钢管

1.1 钢管规格的选取

钢管规格的选取主要从内径和壁厚两个方面考虑。

1.1.1 内径的选取

假设钢管内液体的平均流速为v，钢管横截面积为A，则通过钢管的流量q为：

q=Av

设钢管内径为d，则其横截面积A为：

则通过钢管的流量q为：

(1)

由公式(1)变形得到钢管内径d为：

(2)

式(2)反映了钢管内径d、流量q、平均流速v之间的关系。通过式(2)可计算钢管的内径d，作为选取钢管规格时的依据。计算时q应取通过钢管的最大流量，v应取管道内允许的流速。

1.1.2 壁厚的选取

图1 钢管受力示意图Figure 1 Force diagram of steel pipe

图1所示为一钢管的受力示意图。设钢管内壁半径为r，在钢管横截面上取一微小区域，对应圆弧夹角为dθ，则对应弧长为dS=rdθ，单位长度内钢管所取区域的面积为dA=dS=rdθ，油液对该面积区域施加的作用力为dF=pdA=prdθ。由图1可知，该作用力的水平分量为dFx=prdθcosθ，因而油液作用在钢管内壁上的水平力的总和为：

式中，p为钢管内油液压力；d为钢管内径。取单位长度钢管进行分析，在通过圆心的纵向断面处，其所受的内力为：

N=σA′=2σδ

式中，σ为钢管纵截面上内应力；δ为钢管壁厚。显然，内力N和作用在钢管内壁上的水平力的合成值Fx大小相等，方向相反，则：pd=2δσ

(3)

式(3)反映了钢管内径、油液压力、内应力和钢管壁厚之间的数学关系。在计算钢管壁厚时，可按照下式计算：

(4)

式中，[σ]为钢管材料的许用拉应力，单位MPa。对于钢管[σ]=σb/n，σb是材料抗拉强度，n是安全系数，取n=4～8。

需要指出的是，按照式(2)和式(4)计算出来的钢管内径和壁厚都要把计算结果圆整后，在相关的手册或厂家的产品说明书中选取。

1.2 钢管的使用

钢管是液压系统中用得最多的管件之一。钢管能承受高压，刚性好，抗腐蚀，价格低廉。缺点是弯曲和装配均较困难，需要专门的工具或设备。钢管使用时需要注意以下事项：

(1)钢管要布置整齐，转弯少，避免太小的转弯半径。钢管的弯曲半径要大于其直径的三倍，管径较小时弯曲半径还要加大。

(2)钢管尽量平行布置，少交叉，保持适当的间距，为安装管路接头和管夹等预留出足够的空间。

(3)在液压管路正式安装前，应按要求对钢管进行酸洗和清洗，并进行预压试验。

2 软管

2.1 适用条件

与金属管不同，软管是柔性的，因此它主要用于软管两端连接的部件之间有相对运动的场合，并能够简化布管和安装[3]。软管被广泛地应用于挖掘机、装载机、起重机等各类工程机械及其它类型的机械设备上。下面举例说明软管的适用条件。

1—臂架 2—活塞 3—缸筒

图2所示为常见的起重机变幅机构。根据机械原理相关知识，平面多连杆运动机构的自由度F为：

F=3n-2Pl-Ph

(5)

式中，n为运动机构的活动构件数；Pl为运动机构的低副数量；Ph为运动机构的高副数量。

该变幅机构可看成是平面四杆机构。活动构件分别是臂架、液压缸活塞、液压缸缸筒，因此活动构件数n为3。机构中存在的运动副分别是臂架与机架之间的转动副、臂架与液压缸活塞之间的转动副、活塞与缸筒之间的移动副以及缸筒与机架之间的转动副，四者均属于低副，即低副的数量Pl为4。该机构中不存在高副，故Ph为零。

将以上分析的结果代入式(5)可得：该变幅机构的自由度F为1。变幅机构工作时，均依靠液压缸油腔油液的压力驱动活塞从而改变臂架的仰角。活塞为该变幅机构的原动件，数量为1。变幅机构的自由度数等于机构原动件的数量，因而该机构具有确定的运动轨迹。假设缸筒与机架之间采用刚性连接，即此时缸筒不再作为活动构件，则机构的活动构件数n为2，低副数量Pl为3，通过式(5)可计算出机构的自由度F为零，显然此时无法完成臂架的变幅。

综上所述，图2所示的起重机变幅机构及类似的运动机构中，液压缸的运动包含两部分：一部分为油路供油时活塞沿着缸筒轴线方向移动；另一部分为缸筒绕着其与机架之间的铰接点转动。因此，用于连接液压缸两个油腔的油管不能完全采用硬管，而应部分或者完全采用软管，否则无法实现预定的运动。

此外，在液压元件发生振动的地方，同样宜采用软管连接。

2.2 软管的选取

软管的规格尺寸大多由它连接的液压元件的接口尺寸决定，也可按照式(2)进行内径选取或者校核。由于构成软管的材料特殊，尤其是用在中高压场合的软管，组成较为复杂，不宜通过式(4)计算软管的壁厚。通常是确定管径后根据其工作压力从相关的标准手册或厂家的产品说明书中对照查取成品件的规格。

2.3 软管的使用

由于软管的柔性和自身材料的特性，使用时存在一系列需要注意的事项：

(1)合理确定软管的弯曲半径。布管时应确保软管的弯曲半径不小于推荐值，否则可能会影响其抗压能力。如果结构要求弯曲半径必须较小，则应采用耐压性较好的胶管[4]。

(2)正确确定软管的长度。软管用于连接有相对运动关系的两液压元件。确定长度时要考虑液压元件的运动范围以及压力和温度对软管长度的影响。

(3)软管的布置应位于同一平面内，避免软管产生扭曲，否则会影响其抗压强度，造成安全隐患。

(4)软管的位置要远离热源，远离发动机排气管。无法避免时，应采取隔热措施。

(5)软管要避免经常性表面机械摩擦。如因工作需要不可避免时，表面应采取保护措施。

3 结语

液压油管属于液压系统中不可或缺的液压元件。油管的使用直接决定了液压系统工作的可靠性、安全性以及使用经济性。油管规格的选取需要考虑系统中的通流量和工作压力的大小。在安装和使用油管时，应考虑一些需要注意事项。